2020年洞庭湖水生生物群落結(jié)構(gòu)特征及水生態(tài)評價(jià)研究

彭 嫻,朱丹丹,王丑明

(1.湖南省岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,湖南 岳陽 414000; 2.湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,湖南 岳陽 414000)

0 引 言

水生生物監(jiān)測與評價(jià)是指通過對水體中水生生物的調(diào)查來評價(jià)水體的生物學(xué)質(zhì)量。有助于水環(huán)境管理目標(biāo)從“水質(zhì)監(jiān)測”向“水生態(tài)監(jiān)測”轉(zhuǎn)變。以往對洞庭湖水環(huán)境變化研究主要集中在水環(huán)境容量或泥沙淤積[1-3]、重金屬污染[4-6]等方面,在水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)研究方面,主要是采用水質(zhì)單因子、綜合指數(shù)[7-9],底棲動(dòng)物完整性指數(shù)[10-11]和浮游植物完整性指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)[12],目前還沒有運(yùn)用水質(zhì)、生境和水生生物綜合指數(shù)對洞庭湖進(jìn)行水生態(tài)的綜合評價(jià)。為了解洞庭湖水生生物狀況并進(jìn)行水生態(tài)評價(jià),在2020年對洞庭湖水質(zhì)、浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查,采用Shannon-Wiener指數(shù)分別對浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物進(jìn)行單獨(dú)評價(jià),并首次全面運(yùn)用水質(zhì)、生境和水生生物評價(jià)指標(biāo)對洞庭湖的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合指數(shù)法(WQI)評價(jià),從而較全面地掌握洞庭湖水生生物群落結(jié)構(gòu)與水生態(tài)狀況,為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測積累重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及為湖泊管理提供科學(xué)依據(jù),并可為后續(xù)的相關(guān)研究提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)域概況

洞庭湖為中國第二大淡水湖,位于湖南省北部、長江中游荊江段南岸,北緯28°30′～29°31′、東經(jīng)111°40′～113°10′。目前,洞庭湖由西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖3部分串聯(lián)而成,北面經(jīng)由松滋、虎渡、藕池三河分流長江,西面和南面接納湘、資、沅、澧四水,東面汨羅江、新墻河匯入,由東北面城陵磯一口注入長江,多年平均入江徑流量約2 870億m3。近幾十年來,洞庭湖富營養(yǎng)化有加劇的趨勢,每年入湖總氮和總磷非常高[13],是洞庭湖的主要污染因子[14-16]。

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測概況

(1) 監(jiān)測斷面。東洞庭湖、岳陽樓、鹿角和扁山等4個(gè)東洞庭湖斷面;橫嶺湖、萬子湖和虞公廟等3個(gè)南洞庭湖斷面;小河嘴、蔣家嘴和南嘴等3個(gè)西洞庭湖斷面以及洞庭湖出口斷面 (圖1)。

(2) 浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物,每季度監(jiān)測一次。其中,對于水深小于5 m的水體,在水面下0.5 m處布設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn);當(dāng)水深為5～10 m時(shí),分別在水面下0.5 m處和透光層底部各布設(shè)一個(gè)采樣點(diǎn),進(jìn)行分層采樣后取混合樣,能夠滿足水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求。水生生物樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。對水質(zhì)監(jiān)測常規(guī)21項(xiàng)指標(biāo)每月監(jiān)測一次,采樣與分析嚴(yán)格按照《國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測任務(wù)作業(yè)指導(dǎo)書》(試行)進(jìn)行質(zhì)量控制,監(jiān)測樣品采樣與分析全過程能夠滿足質(zhì)量保證工作要求。

(3) 測定方法與數(shù)據(jù)來源:測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》《淡水浮游生物研究方法》[17-18]。浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心和岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將優(yōu)勢度指數(shù)Y>0.02的浮游動(dòng)物定為優(yōu)勢種。水生生物評價(jià)采用Shannon-Wiener指數(shù),即

H=-∑[(ni/N)log2(ni/N)]

(1)

式中:ni為第i分類單元的個(gè)體數(shù);N為各分類單元的個(gè)體總和。洞庭湖水體各區(qū)域水質(zhì)類別、整體水質(zhì)狀況根據(jù)環(huán)辦[2011]22號文件附件《地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)辦法》(試行)進(jìn)行水質(zhì)類別單因子和整體水質(zhì)狀況評價(jià)。湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)為總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a和透明度5項(xiàng),參考中國環(huán)境監(jiān)測總站《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)方法進(jìn)行換算。

2.3 水生態(tài)評價(jià)

根據(jù)《湖庫水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)指南》(征求意見稿),采用綜合指數(shù)法進(jìn)行水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評估,通過水化學(xué)指標(biāo)(權(quán)重0.4)、物理生境指標(biāo)(權(quán)重0.2)和水生生物指標(biāo)(權(quán)重0.4)加權(quán)求和,構(gòu)建水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)WQI,以該指數(shù)表示各評估單元和水環(huán)境整體的質(zhì)量狀況。

(2)

式中:WQI為水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù),xi為評價(jià)指標(biāo)分值,wi為評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

綜合評價(jià)水化學(xué)指標(biāo)選擇綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Σ),水生生物選擇Shannon-Wiener多樣性指標(biāo)H′,生境狀況H通過現(xiàn)場打分來確定,其分值范圍等級見表1。

表1 水生態(tài)評價(jià)等級及賦分

根據(jù)水生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)指數(shù)(WQI)分值大小,將水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況等級分為5級,具體指數(shù)分值和質(zhì)量狀況分級詳見表2。

表2 水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)和生境情況

2020年洞庭湖的11個(gè)湖體斷面21項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)中,主要超標(biāo)項(xiàng)目為總氮、總磷。由表3可知,11個(gè)斷面的總氮年均值范圍在1.27～1.88 mg/L之間,均明顯超過GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(1.0 mg/L),洞庭湖湖體總氮年均值為1.60 mg/L;11個(gè)斷面的總磷年均值范圍在0.040～0.068 mg/L之間,除小河嘴外,其他10個(gè)湖體斷面的總磷年均值均高于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中湖、庫Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.05 mg/L),2020年洞庭湖湖體總磷年均值0.060 mg/L。水質(zhì)單因子評價(jià)(總氮不參與評價(jià))結(jié)果:小河嘴斷面為Ⅲ類水質(zhì),其他10個(gè)斷面均為Ⅳ類水質(zhì),Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)斷面比例分別為9.1%和90.9%,11個(gè)湖體斷面總體水質(zhì)為輕度污染。11個(gè)斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在41.61～50.24之間,全湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為46.87,為中營養(yǎng)。除洞庭湖出口斷面為輕度富營養(yǎng)外,其他斷面均為中營養(yǎng)。洞庭湖出口是眾水匯入的場所,既承接岳陽市生活廢水、工業(yè)污水、地表徑流,也因斷面拓寬,流速減慢,同時(shí)受長江水流頂托影響,洞庭湖出口的泥沙淤積加重,泥沙攜帶夾雜著大量的污染物質(zhì),從而導(dǎo)致洞庭湖出口輕度富營養(yǎng)化。

表3 2020年洞庭湖不同湖區(qū)水質(zhì)和營養(yǎng)水平

根據(jù)《湖庫水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)指南》(征求意見稿)進(jìn)行生境打分評價(jià),結(jié)果表明:洞庭湖生境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果在85～100之間,平均為92,總體為中等。分湖區(qū)來看,南洞庭湖生境質(zhì)量最好,其次為西洞庭湖,東洞庭湖生境質(zhì)量最差(表4)。東洞庭湖區(qū)的生境評價(jià)差,其影響因素較多,主要原因可能是岳陽市坐落于東洞庭湖區(qū),其國內(nèi)生產(chǎn)總值及單位面積生產(chǎn)總值較高,與另外兩個(gè)湖區(qū)比,人類活動(dòng)頻繁,生產(chǎn)生活導(dǎo)致大量污染物進(jìn)入湖區(qū)周邊。

表4 洞庭湖生境質(zhì)量評價(jià)

3.2 洞庭湖水生生物狀況

3.2.1 浮游植物

2020年洞庭湖浮游植物共檢出6門73屬,其中藍(lán)藻門14屬,綠藻門29屬,硅藻門20屬,裸藻門4屬,甲藻門3屬,隱藻門2屬,金藻門1 屬。優(yōu)勢種類為偽魚腥藻(Pseudanabaenasp.)、直鏈藻(Melosirasp.)、尖頭藻(Raphidiopsissp.)、平裂藻(Merismopediasp.)和十字藻(Crucigeniasp.)等。全湖平均密度為95.7×104個(gè)/L,密度范圍在17.7×104～356.2×104個(gè)/L之間,東洞庭湖斷面密度最高,橫嶺湖斷面最低(圖2)。全湖浮游植物密度以藍(lán)藻為主,占總密度的70.5%,其次為綠藻和硅藻,分別占總密度的13.0%和10.6%,裸藻門、甲藻門、隱藻門和金藻門最少,占總密度的5.9%。浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為2.1,評價(jià)為良好。從斷面來看,小河嘴、萬子湖和鹿角斷面為優(yōu)秀,其余斷面為良好。

圖2 洞庭湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of phytoplankton community structure in Dongting Lake

洞庭湖浮游植物優(yōu)勢種群從20世紀(jì)90年代初以隱藻和硅藻為主轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳耙怨柙搴途G藻為主,在個(gè)別湖區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)以藍(lán)藻為優(yōu)勢的種群[19],而本研究表明,藍(lán)藻已經(jīng)在全湖廣泛分布,和汪夢琪等研究結(jié)果[20]較為相似,表明洞庭湖富營養(yǎng)化有加劇的趨勢。

3.2.2 浮游動(dòng)物

2020年洞庭湖浮游動(dòng)物共檢出48屬種,其中輪蟲為18屬種,枝角為類18屬種,橈足類為12屬種。優(yōu)勢種類有廣生多肢輪蟲(Polyarthravulgaris)、螺形龜甲輪蟲(Keratellacochlearis)、象鼻蚤(Bosminasp.)以及無節(jié)幼體(nauplius)等。全湖平均密度為74個(gè)/L,其中輪蟲占84.4%,橈足類占11.2%,枝角類占4.4%。生物密度范圍為27～152個(gè)/L,蔣家嘴斷面最低,南嘴斷面最高(圖3)。洞庭湖浮游動(dòng)物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為1.77,評價(jià)為中等。從斷面來看,東洞庭湖、扁山和岳陽樓為良好,其余斷面為中等。

圖3 洞庭湖浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of zooplankton community structure in Dongting Lake

洞庭湖浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為以小型輪蟲為主的特征,而大型的枝角類和橈足類相對較少,這與國內(nèi)大多數(shù)大型淡水湖泊等研究結(jié)果相似[21-22]。研究表明:隨著湖泊富營養(yǎng)化,浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)由大型浮游動(dòng)物向小型浮游動(dòng)物轉(zhuǎn)變[23]。近些年洞庭湖浮游植物優(yōu)勢種群為藍(lán)藻,不利于枝角類、橈足類等大型浮游動(dòng)物的攝食,而輪蟲可以利用藍(lán)藻,導(dǎo)致其在水體中占優(yōu)[24],此外洞庭湖鰱、鳙等魚類對枝角類和橈足類的濾食也可能是浮游動(dòng)物小型化的因素[25]。

3.2.3 底棲動(dòng)物

2020年洞庭湖底棲動(dòng)物共檢出57種,其中水生昆蟲27種,軟體動(dòng)物21種,寡毛類5種,其他動(dòng)物4種,優(yōu)勢種類有指突隱搖蚊(Cryptochironomusrostratus)、多足搖蚊(Polypedilumsp.)、銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)、河蜆(Corbiculafluminea)、蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)和鉤蝦(Grandidierellasp.)等。全湖平均密度為141個(gè)/m2,其中,水生昆蟲占18.6%,軟體動(dòng)物占30.7%,寡毛類占11.4%,其他占39.3%,密度范圍為24～336個(gè)/m2,洞庭湖出口斷面密度最低,東洞庭湖斷面最高(圖4)。洞庭湖底棲動(dòng)物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為2.13,評價(jià)為良好。從斷面來看,南嘴、小河嘴、橫嶺湖和岳陽樓斷面為中等,其余斷面為良好。

圖4 洞庭湖底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of benthos community structure in Dongting Lake

近30 a洞庭湖底棲動(dòng)物優(yōu)勢種發(fā)生了較大程度的變遷,較為耐污的種類成為了優(yōu)勢種,洞庭湖的雙殼類優(yōu)勢種由大型的蚌類演變?yōu)樾⌒偷暮油榌26]。本文研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn),洞庭湖優(yōu)勢種如指突隱搖蚊、多足搖蚊、銅銹環(huán)棱螺、蘇氏尾鰓蚓等多為耐污種,同時(shí)雙殼類優(yōu)勢種也只有河蜆。軟體動(dòng)物也多為小型的種類,水生昆蟲占比也有所下降,并且減少的主要是毛翅目和蜉蝣目等敏感種類,與相關(guān)研究結(jié)果較為相似[10,27]。

3.2.4 水生態(tài)評價(jià)

2020年洞庭湖WQI指數(shù)得分在3.2～3.8之間,平均為3.4,洞庭湖所有斷面均評價(jià)為良好。分?jǐn)嗝鎭砜?扁山、鹿角和岳陽樓得分較低,小河嘴得分最高(圖5)。

圖5 2020年洞庭湖各斷面的WQI指數(shù)Fig.5 WQI index of each sites of Dongting Lake in 2020

4 結(jié) 論

(1) 洞庭湖浮游植物共檢出6門73屬,優(yōu)勢種類有偽魚腥藻、直鏈藻、尖頭藻、平裂藻和十字藻,全湖平均密度為95.7×104個(gè)/L;洞庭湖浮游動(dòng)物共檢出48屬種,洞庭湖浮游動(dòng)物優(yōu)勢種是廣生多肢輪蟲、螺形龜甲輪蟲、象鼻蚤以及無節(jié)幼體,全湖平均密度為74個(gè)/L;底棲動(dòng)物共檢出57種,優(yōu)勢種類有指突隱搖蚊、多足搖蚊、環(huán)棱螺、河蜆、蘇氏尾鰓蚓和鉤蝦,全湖平均密度為141個(gè)/m2。

(2) 洞庭湖的總體水質(zhì)為輕度污染,主要超標(biāo)項(xiàng)目為總氮、總磷。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為46.87,為中營養(yǎng)。洞庭湖生境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果為92分,為中等。采用WQI指數(shù)對洞庭湖進(jìn)行水生態(tài)評價(jià),結(jié)果顯示洞庭湖水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為良好。